TWI477054B - 光伏特裝置 - Google Patents

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TWI477054B TW098131146A TW98131146A TWI477054B TW I477054 B TWI477054 B TW I477054B TW 098131146 A TW098131146 A TW 098131146A TW 98131146 A TW98131146 A TW 98131146A TW I477054 B TWI477054 B TW I477054B
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Description

光伏特裝置
本發明關於申請專利範圍主項引文的一種光伏特裝置。
在先前技術中這類裝置係普遍習知者，由於在一光伏特設備(太陽電流設備)正常操作時因為受環境影響使光伏特模組的太陽輻射能及模組溫度改變，因此一個下游的功率電子電路的目的係將光伏特模組上的電壓一直調節到在電流電壓特性線中的最佳點。在此最佳點產生最大的電功率，這種用於實施這種最佳電流電壓工作點之調整所用的構造組(除此部分外，其餘皆習知者)稱為「最大功率點循軌器」(MPPT或MPP-Tracker)，且擔任一太陽能整流器的鑰匙功能，以供該太陽能交流整流器之用，該太陽能交流整流器可使光伏特裝置接合到電流網路。
圖4用功率/電流座標圖顯示這種習知的MPP循軌器的作用方式。上方曲線對應於光強力入射到相關光伏特模組的光量，它顯示功率最大值(1)的一個點，該功率最大值係被一上述MPT循軌器單元調整以供隨後的交流電整流器之用。如座標圖下方曲線所示，光入射量的減少，造成該功率最大值在此曲線上移動(在圖中係向左)，其中該MPP循軌器將這點藉著使電壓工作點先後地變小而沿著點(2)到(5)造成一種預定的電壓差ΔU以調整此曲線上的功率最大值。
然而此習知MPP裝置的作用方式係針對一光伏特模組的最大功率(或最大之可取出的功率)，其中特別是太陽電池的遮蔭(Abschattung)或類似之影響功率的因素(如它在每日操作時會發生者)，只利用循軌器考慮。但在一光伏特模組內正好遮蔭住的電池會受到一種遮蔭很大的負荷且因此受應力，這點不但會造成這些電池(不利的)劣化，而此該模組的整個功率地圖(Leistungsbild，英：power map)會受不利影響：由於一個(相對於相鄰之電池)受遮蔽蔭的電池會呈耗電器的作用，因此這點造成相當的不對稱性，以及光伏特模組的功率損失，且伴以上述之劣化及破壞之虞(大概由於其構造對熱敏感)。
因此由先前技術已知道利用所謂之旁路二極體(Bypass-diode)防止這些不利作用，亦即該二極體直接整合到一光伏特模組且將各太陽電池跨接，該二極體設計成使它們在這些電池在受到遮蔽(Verschattung)影響的電狀態時會跨接該電池的阻斷操作。
但使用旁路二極體的這種習知而普遍的措施在許多應用情形中並非最佳者，因為整合在模組中的旁路二極體不但提高生產成本，而且會由於有缺陷的旁路二極體使光伏特模組的故障可能性增加，一如旁路二極體本身--在跨接的阻斷操作時有一個或數個電池--會呈耗電器的作用使功率減小。此外，旁路二極體往往跨接數個電池，因此連未遮蔭的電池也不再能提供功率。
此外在所謂的有機光伏特電池或者利用無機薄層技術做的光伏特電池的場合，要將旁路二極體整合--受到程序影響--係不可能或需要可觀的成本。
因此本發明的目的在將上述種類的光伏特裝置就其在光伏特模組受遮蔭或部分地受遮蔭的操作狀態時，就其電功率及操作性質作最佳化，特別是將附加之昂貴的旁路二極體的必要減少或完全消除，且將習知裝置就其對抗受遮蔭、影響的劣化及破壞的抵抗方面改善，並將在遮蔭情形中的能量提供力提高，且將在模組的整個使用壽命期間的總能量提供量提高。
這種目的係利用具有申請專利範圍主項的特徵的光伏特裝置達成，本發明有利的進一步特點見於申請專利範圍附屬項。此外，在說明書、申請專利範圍及/或圖式中揭示的特徵的至少二個特徵的所有組合方式都在本發明的範疇內。
依本發明有利的方式，該光伏特模組的(部分)遮蔭、利用該檢出單元檢出，且對於檢出作用所起的反應，係利用該MPT循軌器(循軌手段)將電流-電壓工作點移動，如此從最佳功率點偏離，造成該光伏特模組的一種操作，這種操作排除掉個別之(受遮蔭的)電池可能之損壞；特別是依本發明這種依遮蔽而定的工作點的移動，使得該太陽能電池最好設有一個(因此遮蔭的太陽電池也都沒有一個)在遮蔭的操作時有負的電功率通過量，或者超過一個(因電池而異的)容許誤差極限，在此容許誤差限以上該電池會受損，因此其中不需旁路二極體(在先前技術這些旁路二極體係常用者)，且在電池的整個使用壽命期間可提供較多的能量。
在此，「預定之電壓變化」一詞，在本發明的意義係特別也指該電壓變化--如它就劣化之虞方面對應於相關的太電池的容許誤差臨限值；換言之，依本發明，該預定電壓變化的檢出方式，使得該電壓變化與因電池而異的性質有關，因此特別是也不能排除以下的情況：如果沒有電池損壞或類似之影響使用壽命的作用存在，則電池電壓也有可能為負。在此，在本發明的範疇內，「電池電壓」的檢出係看成和「電池電流的檢出」等效者，因此特別是本發明也包含各實施例，它們要實施上述原理並不檢出預定的電壓變化，而係檢出一預定的電流變化(它和該遮蔭狀態相關)。
本發明一方面基於一構想：將檢出單元設計成使它利用該太陽電池的一檢出之電池電壓(或電池電流)檢知一種(部分)遮蔭的狀態；依本發明一有利的進一步特點，係利用一種與各太陽電池相關的功率以檢出電壓，其中在本發明的檢出單元係將一(受遮蔽的)太陽電池相對於相鄰太陽電池之適當之相對電壓偏差(或電流偏差)確定，產生一相關的檢出信號，且此信號再造成本發明之工作點移動以降低功率。
在本發明的範疇中，這種觀點也類似地適用於太陽電池模組或適用於模組平面上，因此本發明特別包含將檢出之預定電壓變化不用於個別的位置電壓，而用於一組(大約為模組)之預定電池。
在本發明的範疇中，一種用於檢出太陽電池的(部分)遮蔭狀態的另一變更之構想在於：直接將此與遮蔭相關的參數檢出，亦即特別是光(陽光)入射到該光伏特模組上的角度(°)及/或該模組(或個別電池)的溫度狀態。如此，一比較單元(它係在本發明範疇內所設者，且接在參數檢出單元的下游)與預定或預調整的標準值比較，得知是否一實際之檢出的參數狀態(亦即光入射量、溫度等)對應於一種未遮蔭或一種遮蔭狀態。因對應地或類似於上述的進行方式將工作點移動，造成功率降低，因此可再確保光伏特模組的一種操作，這種操作可避免各種不利之劣化之虞。
雖然本發明特別適合配合有機太陽電池及/或無機薄層太陽電池使用，但本發明的應用範圍絕非限於此，而係可利用本發明有利地實施，可廉價製置，特別是避免使用本來必需的旁路二極體，可將這些特點與高操作安全性，長而無劣化之使用壽命及最佳化之供電操作的優點結合。
本發明其他優點、特點及細節見於以下較佳實施例的說明且電合圖式說明。
圖1的原理電路圖利用功能方塊說明本發明一第一實例的構造及作用方式。
圖號(10)象徵性地表示一輻射源，它在操作狀態時將一光伏特模組(12)照明；在此在操作狀態時，此光伏特模組(12)整面或部分地(換言之該光伏特模組只有個別的太陽電池)受到遮蔭(Abschattung)。
另外此光伏特模組(12)則以習知方式與一下游的交流整流器(14)(Wechselrichter)配合，該交流整流器依該光伏特模組(12)的直流電壓信號轉換成一種適合儲存在網路輸出端(16)的供電網路中的交流電壓信號。在此方面特別是也可確認本發明也適用於行動之小電器，其中特別是本發明訴求的整類的裝置適用於將蓄電池充電或直接操作行動的小電器。
在本發明上述實例的範疇，該交流整流器(14)經一控制信號線路(18)從一控制單元(20)接受一「工作點控制信號」，該控制單元再接收該光伏特模組(12)的參數資料[呈一溫度信號形式--它係由一溫度感測器(22)直接在光伏特模組(12)接收者，以及一相鄰設置的入射感測器(24)的一入射信號。
除了入射信號E和溫度信號，該控制單元(20)另外接收該實際上由光伏特模組(12)產生的直流電壓U。
此後，控制單元(20)的作用方式有利藉著將這些參數值與存在一相關之永久記憶體單元(26)中的預設資料或標準資料是否大約由於入射信號E的一偏差值而有(部分)遮蔭狀態整流器(14)的工作點移動，移向一操作功作點過去，在此工作點時，在此實施例中，該光伏特模組(12)的各太陽電池在一特別的與電池有關的容許誤差極限以上(一劣化臨限值的意義)工作，且對應地防止劣化或其他會減少功率的變劣情事。然而如果由於工作點動發生實際功率減少的情事，這種情事由於一電池或整個系統的總產生功率係與使用壽命期間有關故被抵消掉，因此在整個使用壽命期間提電呈上有明顯的優點。
用此方式--藉著將交流整流器工作點調整以對應地減少功率--可防止該相關之關掉的太陽電池劣化或受損的情事，這點本發明對光伏特模組的總使用壽受及操作安全有很有利的影響。另一優點為：利用上述本發明的進行方式，可不需設前述先前技術的旁路二極體，因為利用本發明將工作點調移，就不需利用旁路二極體達成阻斷作用(相對於各個別的太陽電池)。
圖3的原理圖在抽象的平面上說明此原理：在一功能單元(30)中作上述比較，在感測器[功能方塊(32)]的檢出值[對應與溫度感測器]與一溫度T的檢出之間作比較，以及在入射感測器(24)的檢出值與一檢出的入射功率P光 之間作比較；將這參數組與一表單元(34)的預設或預定特性線資料[對應於圖1中的永久記憶體單元(26)]作比較。
此功能單元(30)的一比較信號被一循軌單元(33)接收[該二單元(30)(33)在圖1的實施例中舉例而言，係利用具有微控制器的控制單元(20)實施]，其中比較的結比，該MPP循軌器單元(33)將交流整流器功率P的工作點移動了一功率偏離值ΔP(Leistungsversatz，英：power offset)，且對應於交流整流器(14)作控制。
如此造成該MPT循軌器從最佳功率點偏離了所需之ΔP，使得相關之光伏特模組的功率減少，但這種偏離與一實際之遮蔭狀態有關，且只此就太陽電池的負荷而言可造成最佳化且確保即使在遮蔽狀態也能安全操作，如此特別是電池由於(部分)遮蔭造成的長期損壞的情事可排除。
圖2的原理電路圖係用於依圖3進行方式的變更例，圖中顯示另一途徑，如在本發明範疇中對於一適應性部分遮蔭檢出係用一MPT循軌器(42)單元，且可用本發明的方式將一工作點移動。與圖3及圖1的例子不同者，圖2的實施例中，利用一檢出信號nin 接到各太陽電池(且藉著在此線路上將各電池電壓或電池電流測量，可檢出到一遮蔭的電池。一檢出單元(40)由於多數電壓值或電流值(它們和多數太陽電池對應)計算出一所需之功率偏離ΔP，由於MPT循軌器單元(42)的作用，在交流整流器(14)上的工作點須移動此ΔP值。此處ΔP也表示MPT循軌器(42)從最佳功率點(以對應之減少功率的作用影響到該相關之光伏特模組)偏轉的值，但這種工作點的移動再使得光伏特模組(12)沒有一個太陽電池在不利的操作狀態操作，也沒有一個被遮蔭的太陽電池會如此，此不利的狀態係在一容許誤差極限以上或一負的電功率通過值以上者。
這些實施例的光伏特模組具有很有利的有機光伏特電池或無機薄層光伏特電池，因為此處依本發明達成的優點(不需旁路二極體)特別明顯。同樣地，本發明不限於特別形式的太陽電池，而係可用於近乎所有應用領域，在這些領域中將對個別電池的有害影響減到最少，而適應變人之入射或遮蔭情況，同時上述之使用壽命的優點(特別是配合總能量產率的提供)也都能保持。
(1)．．．功率最大值
(10)．．．輻射源
(12)．．．光伏特模組
(14)．．．交流整流器
(16)．．．網路輸出端
(18)．．．控制信號線路
(20)．．．控制單元
(22)．．．溫度感測器
(26)．．．永久記憶體單元
(30)．．．功能單元
(32)．．．功能方塊
(33)．．．循軌器單元
(40)．．．檢出單元
(42)．．．循軌器
圖1係依本發明的第一較佳實施例的光伏特裝置的一示意方塊圖；
圖2係依一較佳變更例之用於實施本發明之功能元件的示意原理電路圖；
圖3係依圖1用於實施本發明的一示意方塊圖；
圖4係一功率-電壓座標圖，用於說明一種MPT循軌器功能，它用於在各功率曲線上調整(追踪)一功率最大值。
(14)．．．交流整流器
(40)．．．檢出單元
(42)．．．循軌器

Claims (14)

  1. 一種光伏特裝置，具有一個具有太陽電池的光伏特模組(12)，有MPP(最大功率點)手段(42)與該光伏特模組(12)配合以求出該光伏特模組(12)的電功率最大值，以及調整相關的電流-電壓工作點以供一下游的交流整流器(14)用，其特徵在：有一檢出單元(40)與該MPP手段(42)配合，該檢出單元設計成用於檢出多數太陽電池的各電池電壓以及用於產生一控制信號以控制該MPP手段(42)，使得受到此控制信號影響使該電流-電壓工作點發生移動，這種移動造成該光伏特模組(12)的功率改變，特別是功率減少，這種工作點的移動乃是對於一太陽電池之電池電壓之一檢出的電壓相對於該光伏特模組(12)的其他多數太陽電池的電池電壓之檢出到的預定電壓變化的反應。
  2. 如申請專利範圍第1項之光伏特裝置，其中：該檢出單元(40)設計成使所要檢出的一太陽電池之電池電壓的預定變化相當於該太陽電池的評估。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之光伏特裝置，其中：設有和該多數太陽電池對應之數目的分析線路(nin )並與該檢出單元(40)連接以檢出各電池電壓。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項之光伏特裝置，其中：該參數檢出單元(40)有一光感測器(24)，設計成用於檢出光的整面地或部分面地入射到該光伏特模組(12)上的量。
  5. 如申請專利範圍第1或第2項之光伏特裝置，其中： 該光伏特模組(12)及/或該多數太陽電池不具有旁路二極體。
  6. 如申請專利範圍第1或第2項之光伏特裝置，其中：該多數太陽電池具有有機太陽電池及/或無機薄膜太陽電池。
  7. 如申請專利範圍第1或第2項之光伏特裝置，其中：該電流-電壓工作點的移動使得在此操作狀態中，該多數太陽電池沒有任何一個有負的電功率通過量或沒有太陽電池的因電池而異的容許誤差極限會被超過。
  8. 一種光伏特裝置，具有一個具有太陽電池的光伏特模組(12)，有MPP手段(33)與該光伏特模組(12)配合以求出該光伏特模組(12)的電功率最大值，以及調整相關的電流-電壓工作點以供一下游的交流整流器(14)用，其特徵在：有一參數檢出單元(40)與該MPP手段(42)配合，該參數檢出單元設計成用於將至少一環境參數(T,P光 )檢出，該環境參數受該太陽電池的照明及/或溫度狀態影響；並設有一比較單元(30)，該比較單元與該參數檢出單元(40)配合，使得一個控制信號產生以控制該MPP手段(42)，該控制信號使該電流-電壓工作點移動，這種移動使該光伏特模組(12)的功率降低；該控制信號的產生乃是一種對於一檢出的照明及/或溫度狀態與一預定比較值有一定偏差的反應。
  9. 如申請專利範圍第8項之光伏特裝置，其中：該比較單元(30)設計成從一個與它相關的非揮發性記 憶體單(34)讀出該比較值。
  10. 如申請專利範圍第8或第9項之光伏特裝置，其中：該參數檢出單元(40)有一溫度感測器(22)，設計成用於檢出該太陽電池的操作溫度。
  11. 如申請專利範圍第8或第9項之光伏特裝置，其中：該參數檢出單元(40)有一光感測器(24)，設計成用於將整面地或部分面地入射到該光伏特模組(12)上的光檢出。
  12. 如申請專利範圍第8或第9項之光伏特裝置，其中：該光伏特模組(12)及/或該多數太陽電池不具旁路二極體。
  13. 如申請專利範圍第8或第9項之光伏特裝置，其中：該多數太陽電池具有有機太陽電池及/或無機薄膜層太陽電池。
  14. 如申請專利範圍第8或第9項之光伏特裝置，其中：該電流-電壓工作點的移動使得在此操作狀態中該多數太陽電沒有任何一個有負的電功率通過量或者沒有任何一太陽電池的因電池而異的容許誤差極限會被超過。
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